İki parmağınızı bir araya getirdiğiniz zaman birbirine dokunduğunu hissedebilirsiniz. Fakat gerçekten de atomlarınız gerçekten birbirine dokunuyor mu?

Dokunma hissi dediğimiz algılama, atomlarınız yaşadığınız deneyimlerden gelen algılamaları tecrübe ettikçe gerçekte diğer nesnelerin neye benzediğini öğrenmenizi sağlar.  Ancak önemli bir soru var ortada…

Nesneleri birbirine yaklaştırdığınızda hatta dokunduklarını hissettiğinizde bile açıkça birbirlerine bağlı değiller. O halde ne hissediyoruz biz? Beklenenin aksine dokunma hissi aslında birbiriyle temas halinde olan iki atomun durumlarından biri değildir. Dokunmanın fiziği anladığınızdan çok daha karmaşıktır.

Maddeyi neyin oluşturduğunu anlama yolculuğunda geçilen adımlar ; Küçük adımlarla aşağı inmek, her yenisini bir öncekinden daha erişilebilir hale getirebilir. İnsanlar organlardan, hücrelerden, organellerden, moleküllerden, atomlardan, sonra elektronlar ve çekirdeklerden, sonra protonlar ve nötronlardan ve bunların içindeki kuarklar ve gluonlardan meydana gelmiştir. Gördükleriniz doğanın ne kadar derinlemesine araştırıldığının bu gün ulaşılmış limitidir.  

Varoluşla ilgili en mantıksız şeylerden biri kuvvetler kavramıdır. Bir kuvveti deneyimlemek, yani başka bir şeyin üzerimizdeki etkisini hissetmek için, iki nesnenin mutlaka birbirine dokunması veya temas halinde olması gerekmez. Dünya yüzeyindeki nesneler Dünya'nın yerçekimini hisseder, uçaklar, uydular ve hatta Ay da öyle. Elektrik yüklü bir nesne, birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsun, diğer elektrik yüklerini çeker ve iter. Ve daha tanıdık bir şekilde izah edecek olursak iki mıknatısın aynı kutupları karşılıklı olarak birbirini o kadar güçlü bir şekilde iter ki dünyanın en güçlü insanı bile o iki kutbu tam anlamıyla bir araya bir araya getiremez.

Peki baş parmağınızı ve işaret parmağınızı bir araya getirmeye çalıştığınızda gerçekte neler oluyor? Ne kadar yakınlaşıyorlar ve birbirlerine gerçekten "dokunuyorlar mı"?

“İki elinizi önünüzde işaret parmağınız birbirine bakacak ve ileriyi gösterir şekilde birleştirdiğinizde ellerinizin hatta parmaklarınızın arasındaki boşluk gittikçe küçülür. Dokunmadan az önce onları bir milimetreden biraz daha az bir mesafede görebilir ve o şekilde kalabilirsiniz. Dokunmadan hemen önce, parmakların birbirinden yalnızca bir atom (veya atom altı) genişliğinde olduğu bir an var mı? Yoksa uzay bu kadar küçük ölçekte bir şekilde farklı mı davranıyor?”

Açıkçası, görebildiklerimizle (bir milimetrenin biraz altında) bir atomun boyutu (yaklaşık bir metrenin on milyarda biri) arasında muazzam büyüklükte bir aralık var. Şimdi bu küçük ama büyük ölçeklerde neler olduğunu öğrenelim.

Bu soruyu tam olarak ele alabilmek için çok küçük ölçeklere inmek zorunda olsak da, "küçük"ün sizin şu an sezinlemiş olabileceğiniz gibi "kuantum" anlamına gelmediğini kabul etmeniz önemlidir. Evet, kuantum etkileri tipik olarak izole edilmiş, bir veya birkaç parçacıklı sistemlerde kendisini belli eder ve eğer sistemde sık sık etkileşime giren birçok parçacık bulunuyorsa ortadan kaybolma eğilimindedir ki bu (çoğu) makroskobik kuantum fenomenin ayırt edici özelliğidir. Bununla birlikte, kuantum etkiler normalde atomik ölçeklerde veya altında görünürken, daha klasik etkiler - yerçekimi ve elektromanyetik etkiler dahil -  ve çoğu zaman, en küçük ölçeklerde bile, doğası gereği kuantum olanlardan bile baskın olabilir.

Bu nedenle, ilk adım, vücudunuzun atomlardan oluştuğunu ve parmaklarınızın içindeki atomların, hücrelerinizi oluşturan organelleri oluşturan moleküller halinde birbirine bağlı olmasına rağmen, temelde tüm atomların, yani atom çekirdeklerinin yörüngesinde dönen elektronların olduğunun farkına varmaktır. Makroskobik dünyadan (parmaklar) atomlara ve hatta atomları oluşturan atom altı parçacıklara kadar çok uzun bir yol olsa da, maddenin yapısı gerçekten böyle tuhaf görünmektedir.

Moleküllere ve daha sonra daha büyük yapılara bağlanan atomların elektronlarının nasıl hareket edebileceği konusunda kısıtlamaları vardır. Birden fazla atom arasında paylaşıldığında bile, elektronlar bulut benzeri kabuklarda yörüngede döner ve işgal ettikleri belirli enerji düzeyine (ve moleküler/atomik orbitallere) bağlı olarak zaman içinde dağınık bir dağılıma sahiptir. Bunun anlamı şudur siz bir atom altı parçacağı yörüngesi üzerinde istediğiniz zaman istediğiniz yerde tespit edemezsiniz. İster tek bir atoma, ister atomlardan oluşan daha büyük bir yapıya bakıyor olun, temel resim budur, tek veya birden fazla pozitif yüklü atom çekirdeği/çekirdeği etrafında dönen negatif yüklü bir elektron bulutu var. Bulut denmesinin nedeni yerlerinin bilinmezliği…

Öyleyse, iki atomu birbirine yaklaştırdığınızda, tıpkı başparmağınız ve işaret parmağınızı birbirine değdirmeyecek kadar yaklaştırdığınızda, tahmin edebileceğiniz gibi ne olur?

Nötr bir atoma harici bir elektrik alanı uygulandığında, atomun polarize olmasına ve genel olarak bir dipol gibi davranmasına neden olur: bir tarafı daha pozitif yüklü ve bir tarafı daha negatif yüklüdür. Atom da yukarıda görüldüğü gibi küresel bir şekilden uzaklaşmaktadır.

Üniversitede fizik bölümü çoğu öğrencinin nasıl çözeceğini öğrendiği ilginç bir problem, hesaplamalarımızı doğru yaparsak hepimiz aynı cevapları alırız.: Atom çekirdeğinin etrafında dönen elektron bulutunun şekli, yanındaki diğer atom çekirdeğinin varlığına tepki olarak değişir. Atomların (ve moleküllerin) kendileri nötr yüklü varlıklar olsalar da, negatif ve pozitif yüklü bileşenlerden yapılmış olmaları, onların son derece önemli bir şey yapmalarını sağlar: Kutuplaşmak.

Polarizasyon (kutuplaşma), pozitif ve negatif yüklerin birlikte olduğu her yerde meydana gelen klasik bir elektromanyetik fenomendir ve bu yükleri etkileyen dış kuvvetlere bağlı olarak, birbirlerine göre hareket etmelerini ve kendilerini yeniden dağıtmalarını sağlayan yetenektir. Yakınında pozitif veya negatif bir yüke sahip olan “dış kuvvet”in görselleştirmesi kolay olsa da, yüksüz ancak polarize olabilen iki nesneyi birbirine yaklaştırmak, aslında yalnızca her iki nesnenin de kutuplaşmasına değil, aynı zamanda iki nesne arasında bir güç ağı oluşturmasına da neden olabilir.

Örneğin, birbirine yakınlaştırılan iki basit atom düşünelim. Her birinin pozitif yüklü bir atom çekirdeği ve çevresinde dağınık bir negatif yük bulutu vardır. Birini diğerinin yakınına getirirseniz, her ikisinin de yük bulutları başlangıçta küre şeklinde kalır: hiçbir çeken veya iten güç yoktur. Bununla birlikte, onları ne kadar yakınlaştırırsanız, elektron bulutları şekillerini o kadar fazla bozacak ve küçük birer dipol yaratacaktır: Pozitif yüklü bir çekirdek, negatif yüklerin negatif yüklü küresel dağılımıyla kıyaslandığında merkezden biraz daha uzaktadır.

Bu şemada, iki atom birbirine yaklaştırılmıştır ve (i) başlangıçta polarize değildirler. Atomlardan biri (ii) polarize olursa, bitişik atom, yakın atomun (iii) pozitif ve negatif bileşenlerinden gelen elektrostatik kuvvetleri deneyimleyecek ve bu da onun da polarize olmasına neden olacak ve bu da çekici bir Van der Waals kuvveti ile sonuçlanacaktır.

Elektrik dipol gibi davranan bir atomunuz (Kutuplaşmış) olduğu zaman kendi elektrik alanını üretmeye başlar ki bu elektrik alanı kendi alanına giren herhangi bir atomu kutuplaştırır.  Eğer "Pozitif" uç diğer atoma daha yakınsa, "pozitif" çekirdeği uzağa iter ve "negatif" elektron bulutunu kendisine doğru çekerek iki atom arasında çekici bir kuvvet oluşturur. Kısa mesafelerde hissedilebilen bu çekici kuvvet, Van der Waals kuvveti olarak bilinir ve şişmiş bir balonu gömleğinize sürdüğünüzde (ve ona biraz elektron aktardığınızda) neden sürtünme yapılan yerden "yapışabildiğini" açıklar. Çünkü sürttüğünüz yerdeki elektrik yükü duvardaki atomları da polarize etmiş durumdadır.

İki atom, her birinin sıkı bir şekilde bağlı olduğu daha büyük bir yapının parçası olduğunda, en dıştaki atomlardaki elektronlar ve çekirdekler, birbirlerine bağlı değillermiş gibi polarize olmak zorunda değildir. Bu durumda, itici bir elektrostatik kuvvet ortaya çıkabilir ve atomlar birbirine yaklaştıkça daha da güçlenebilir.

Ama bu iki serbest, bağlanmamış atomun hikayesiydi. Ya atomlar, elektronların hareket etmekte tamamen serbest olmadığı, ancak nereye gidebilecekleri/gidemeyecekleri konusunda bazı kısıtlamaları olan bir atom ağında - yani moleküler veya daha büyük bir yapıda - birbirine bağlıysa?

Biri diğerinin yanına getirildiğinde, işte şimdi asıl olanlara bakalım:

• Elektron "bulutlarının" üst üste bindiği negatif yüklü elektronlar, birbirinden uzak tarafa doğru çıkıntı yapan oval biçimli bir dağılım yaratarak, birbirini uzağa iterler.
• Pozitif yüklü çekirdekler, polarize olan elektron bulutları nedeniyle şimdş artık birbirlerine nispeten "yakın" oldukları için, birini diğerinden uzağa iter.
• Ve onları birbirine ne kadar yakınlaştırırsanız, bu etkiyi o kadar arttırırsınız ve itici kuvvetlerin daha da artmasına neden olursunuz.

Mantığa aykırı görünebilir, ancak başparmağınızı ve işaret parmağınızı birbirine yaklaştırıp sonra temas ettirdiğinizde ve ardından onları giderek daha da artan kuvvetle ittiğinizde, atomik/moleküler düzeyde olan tam olarak da budur. Ancak burada son derece önemli bir uyarı var: Bu, sadece "dokunma" söz konusu olduğunda işe yarar, çünkü başparmağınızdaki atomlar, işaret parmağınızdaki atomların "dokunabileceğinden" çok daha güçlü ve sağlam bir şekilde birbirine bağlıdır.  Benzer şekilde, işaret parmağınızdaki atomlar - moleküllerde, hücre zarlarında vb. - başparmağınızın "dokunduğundan" daha güçlü bir şekilde birbirine bağlıdır.

İki tipik nesneyi birbirine dokundurduğunuzda bunların kaynaşmak veya birleşmek yerine iki bağımsız nesne olarak kalmasının başlıca nedeni budur. Parmağınız gibi katı nesnelerin, bozulmadan kalması kolay ve yok edilmesi zordur çünkü güçlü atomik bağlara (elektronların atomlar arasında paylaşıldığı kovalent moleküler bağa) sahiptir. İki ayrı nesneyi bir araya getirdiğinizde, her nesnenin kendi elektronlarına tutunması, diğeriyle aralarında elektron alışverişi yapmasından veya bir taraftan diğerine yeni kovalent bağlar oluşturmasından çok daha olasıdır. Bu nedenle katı maddeler birbirlerine ne kadar temas ederlerse etsinler aynı kalmaya devam ederler.

İki atomun elektron dalga fonksiyonları kolayca örtüşebilir ve birbirine bağlanabilir, ancak bu genellikle yalnızca serbest atomlar için geçerlidir. Her atom çok daha büyük bir yapının parçası olarak birbirine bağlandığında, moleküller arası kuvvetler sıklıkla atomları önemli mesafelerde tutabilir ve çok özel durumlar dışında güçlü bağların oluşmasını engelleyebilir.

Ancak elbetteki bunun istisnaları vardır. Dışarıya, donma noktasının altındaki sıcaklıklara çıkarsanız ve parmağınızı yalarsanız ve ardından parmağınızı soğuk bir metal yüzeye dokundurursanız (sakın yüzeyi dilinizle yalamayın!), su donacak ve donmuş su metal yüzeydeki ve parmağınızdaki su moleküllerine bağlanacaktır..

Aşağıdakiler dahil olmak üzere bu güçlü bağları oluşturmaya başladığınızda:

İyonik bağlar,

Kovalent bağlar,

veya en güçlü şekilde, her iki nesneyi kapsayan bir kafes yapısı oluşturmak,

artık bu noktada nesnelerin bütünlüklerini koruyacağı kesinliğini kaybeder.

Bu, uç bir örnek gibi görünebilir ve başparmağınızla işaret parmağınıza dokunmakla mümkün olamayacak, ancak ayaklarınızı ya bantlayarak ya da çok sıkı bir şekilde dar bir ayakkabıda sıkıştırarak olağanüstü miktarda fiziksel aktivite yaptıysanız. - bir balerin gibi - bu fenomene gerçekten aşina olabilirsiniz. Bu durumda, ayak parmaklarınız acı verici çeşitli şekillerde birbirine yapışabilir, bu nedenle bu mekanik baskılardan kaynaklanabilecek ayak deformasyonlarıyla mücadele etmek için birçok dansçı parmak aralayıcıları kullanmaya başlamıştır.

Bale dansçıları zarafetleri, zarafetleri ve her şeyi zahmetsiz göstermeleriyle tanınmalarına rağmen, gerçek şu ki balerin ayak parmakları ve ayakları sıklıkla ciddi travmalara maruz kalıyor ve dansçıyı sıklıkla ömür boyu sürecek yaralanmalara ve hatta şekil bozukluklarına bırakıyor.

Neyse ki bu, çoğu insanın baş ve işaret parmaklarını bir araya getirmek gibi sıradan bir şey yaptıklarında endişelenmesi gereken bir durum değil. Bir milimetrenin onda birine (0,0001 metre) kadar küçük bir mesafeyi görsel olarak algılayabiliyor olsanız da, bir ångström'de çalışan tipik bir atomun elektron bulutunun boyutuna kadar epey uzun bir yol var. metrenin on milyarda biri (0.0000000001 metre).

Eğer birinin polarize olabilmesi ve diğerinin tepki verebilmesi için iki atomu ne kadar yakınlaştırmanız gerektiğini bilmek istiyorsanız bunu bir metrenin yaklaşık yüz milyonda biri olarak tahmin edebiliriz: 0.00000001 metre veya ~10 nanometre: oldukça büyük bir molekülün ölçeği. Bu ölçekte,  moleküller içinde bir yönde veya başka bir yönde polarize olan atomlar vücudunuzla çok iyi "hissedebileceğiniz" kuvvetler uygulayabilir ve hidrojen bağları oluşabilir

Bununla birlikte, parmaklarınızı birbirine daha çok bastırdıkça, başparmağınızdaki ve işaret parmağınızdaki atomlar aslında bu mesafeden daha fazla yaklaşmazlar.

İki parmağınız birbirine değdiğinde, iki parmağınızdaki atomlar hiçbir zaman her bir parmağı oluşturan gerçek atomlar kadar birbirine yaklaşamaz. Bir alan üzerindeki basınç veya kuvvet hemen hemen her durumda küçük kalır.

Bunun yerine, parmaklarınızın her birinin içindeki bağlı yapılar - molekülleriniz, onların oluşturduğu hücreler ve her bir parmağı oluşturan tüm hücresel yapı - birbirine çok güçlü bir şekilde (kovalent olarak) bağlanır. Başparmağınızı ve işaret parmağınızı birbirine bastırdığınızda, yaptığınız şey, bu yüzey atomlarının giderek daha fazla yakınlaştırmaktır ve bu atomlar, sırasıyla başparmağınızın ve işaret parmağınızın içindeki diğer her şeyle bağlantılıdır.

Baş parmağınızı ve işaret parmağınızı birbirine bastırarak oldukça önemli bir kuvvet uygulayabilseniz de - cildinizin gözle görülür şekilde rengini değiştirmeye yetecek kadar - bu kuvvet önemli bir alana dağılır: başparmağınızın ve işaret parmağınızın üzerinde olduğu alan. işaret parmağı birbirine dokunun. Bir alana etki eden kuvvetler bir basınç oluşturur ve kuvvet çok büyük olsa da alan da geniş olduğu için basınç nispeten küçüktür. Sonuç olarak, başparmağınızı oluşturan tek tek atomlar ve işaret parmağınızı oluşturan atomlar, baş ve işaret parmağınızdaki atomlar arasındaki bağ uzunluğuna kıyasla asla aşırı yakın olamaz.

Burada birçok insanın sıklıkla merak ettiği bir soruyu da cevaplayalım: Eğer atomlarım çoğunlukla boşluktan oluşuyorsa, onları bir araya getirdiğimde neden başparmağım ve işaret parmağım birbirinin içinden geçmiyor? Pek çok insan bir kuantum kuralına koşsa da - Pauli Dışlama İlkesi - bu aslında gerekli bir durum değil. Çünkü atomlar, moleküler olarak birbirlerine kovalent (güçlü) bağla bağlı olmalarından dolayı bütünlüklerini korumaktadır ve bu atomların negatif elektron yüklerinin geniş bir uzay hacmine dağılmış olması, atom temelli iki yapının birbirine geçişini engellemek için fazlasıyla yeterlidir. Kimyasal, elektron bazlı bağlar ve elektronların işgal ettiği geniş uzamsal dağılım, maddenin boşlukta yer kaplamasını sağlamak için yeterlidir.

Ama birbirimize "dokunmak" dediğimizde anahtar nokta şu, "Bir şeyin, özelliklerinin benim dokunma duyum veya vücudumdaki duyarlı sinirlerin cevap vermesi için ne kadar yaklaşması gerektiğini" kastediyoruz.? Ve sıcaklığa, basınca ve acıya duyarlı farklı nöronlarımız olsa da, hepsi vücudumuzdaki maddeyle etkileşime giren elektronlar veya fotonlar tarafından tetiklenir.

Basınca dayalı dokunma durumunda, bir tepkinin başlaması için gereken tek şey, gözünüzün görebileceğinden önemli ölçüde daha yakın, ancak yine de bir atomun boyutundan önemli ölçüde daha uzak bir mesafede yakınlaşmasdır!

Levent Aslan

Faydalanılan kaynaklar : Big Think internet sitesi